攔截型主動防護系統探測傳感器研究*

馬　可， 張遠安， 張開生

(西安電子工程研究所，陜西 西安 710100)

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攔截型主動防護系統探測傳感器研究*

馬可， 張遠安， 張開生

(西安電子工程研究所，陜西 西安 710100)

摘要:針對坦克裝甲車輛主動防護系統傳感器做出了系統性的介紹，闡述了近現代主動防護系統探測傳感器的功能特點、系統組成和工作原理。結合國內某型主動防護系統的研制情況，詳細分析了天線和頻率綜合器兩個關鍵技術在工程實現時需要注意的問題和解決方法，其中天線在設計中應該盡可能多地提高隔離度；頻率綜合器在設計中應該提高相位噪聲指標。通過對上述關鍵技術的分析，希望為今后國內主動防護系統傳感器的總體研制提供經驗和參考。

關鍵詞:主動防護系統； 連續波雷達； 攔截

0引言

攔截型主動防護系統是坦克裝甲車輛的一種新型防護手段[1,2]，與注重提高自身抗打擊能力的被動防護不同，攔截型主動防護系統主要對來襲彈藥進行探測、分析、識別、跟蹤和攔截，使其失效、毀傷或者破壞能力減弱，從而保護坦克裝甲車輛的戰場安全[3]。攔截型主動防護系統主要由探測系統、控制中心和火力系統三部分組成[4]。其中，探測系統的傳感器一般選用連續波雷達[5]，其具有峰值功率低、時寬帶寬積大、測距測速精度高、低截獲概率、無近距離盲區、體積小、易實現等優點。

目前，俄羅斯、美國、以色列等國家已經推出了自己的主動防護系統[5,6]，本文主要對主動防護系統探測傳感器進行系統性闡述，分析了幾個關鍵技術在實現過程中需要注意的問題，結合在國內某型主動防護系統探測傳感器研制中遇到天線設計和頻率綜合器設計問題，提供了一些解決方法作為參考。

1主動防護系統探測傳感器

1.1主動防護系統工作流程

主動防護系統工作流程的示意圖如圖1所示。系統進入作戰狀態后，近程防護探測傳感器開機，對作用距離內的區域進行目標搜索，當探測到有彈藥攻擊時，獲取來襲彈藥的角度、速度、距離以及運動特征等信息，同時控制反擊彈藥準備發射。隨后探測傳感器對目標的運動參數進行精確測量，并根據測量數據進行火控解算，推算目標達到攔截點的空間位置和到達時刻，適時發射反擊彈藥[7]。反擊彈藥預定飛行幾米后被引信引爆，爆破距離一定，可以形成一個橢圓錐型的有效殺傷區。只要來襲目標打在殺傷區內，就能成功實現攔截。為了精確進行火控解算，取殺傷區中點為攔截點，攔截點所形成的弧面為防御面[8]。

圖1　主動防護系統工作流程Fig 1　Work flow of active protection system

1.2探測傳感器功能特點

應用于主動防護系統的探測傳感器(連續波雷達)，除了擁有一般雷達的功能，還應該滿足車載平臺下的特殊作戰要求。從近現代戰爭特點分析，能夠在復雜作戰環境下，保障自身安全、出色完成任務的一部先進的主動防護系統探測傳感器必須具備以下功能特點：

1.2.1近距離盲區小

近距離盲區是主動防護系統中非常重要的一個指標參數，它由實施干擾或攔截的武器系統的作用距離決定，一般都在20 m以內[9]。近距離盲區越小，意味著可以更精確地推算來襲彈藥的未來點信息，提高防護概率。如此小的近程盲區，脈沖雷達需要發射ns級的窄脈沖，現有的工程條件很難實現這樣的要求。所以,現在一般采用相對容易實現的連續波作為發射信號。

1.2.2反應時間快

現有主動防護系統對付的目標主要是速度在200～600 m/s的各類反坦克導彈、反坦克火箭彈，未來還可能對付速度更高的榴彈、動能彈、炮射導彈。因此，探測傳感器從發現目標到生成火控指令的時間只有數十到數百毫秒，整個反應過程必須自動化，搜索跟蹤的切換和航跡推算算法也要優化簡化。

1.2.3虛警漏警低

實際作戰中，周圍環境中可能存在各種各樣的非威脅目標，如,爆炸濺起的石子、天空的飛鳥、附近的人員、打偏的炮彈等等，傳感器要能自動濾除這類非威脅目標避免發出虛警。但對于真正來襲的目標，必須準確判斷，不能漏警。為了實現超低的虛警漏警概率，可以采用綜合決策機制，從信號檢測、航跡推算、目標特征分析等多個方面入手，確保作戰中不虛警不漏警。

1.2.4抗干擾能力強

戰場上的干擾一方面來自惡劣的氣候環境，如,雨霧、沙塵、復雜地型等;另一方面來自人為產生的電磁干擾，如,裝備間的電磁輻射、敵方發射的電磁干擾信號等。這些干擾輕則使探測傳感器作用距離下降，重則使探測傳感器完全失效。設計探測傳感器時，充分考慮可能受到的干擾因素，合理配置工作頻點，作用距離上留有余量、優化信號形式，加入抗干擾處理算法和設置自適應跳頻功能等方法都能夠有效提高抗干擾能力。

現代的坦克、裝甲車輛越來越注重自身的隱身能力，探測傳感器安裝在車體上如果破壞了車輛的隱身性能，將得不償失。結構上，探測傳感器應該盡可能小型化，低輪廓，外型與車體的隱身設計相適應；電氣上，在滿足作用距離指標條件下，盡量采用較小的峰值發射功率，避免被敵方電子設備檢測到。

此外，根據不同的作戰需求，探測傳感器還可以進行其他功能的擴展，如,多目標能力、目標識別能力等。需要注意的是，這些功能特點的實現往往是相互制約的，設計時只有折衷選取。

1.3探測傳感器系統組成

主動防護系統探測傳感器在電氣上的組成部分和一般雷達基本相同，主要分為：天線、發射機、接收機、頻率綜合器、信號處理器、中心控制機、顯控終端。在結構上，為了提高裝車適應性，實現一體化設計。采用分布式雷達的設計思路,將天線和射頻鏈路獨立出來，形成探測前端，安裝于車體表面，以盡可能減小暴露在外的體積；將后端處理部分集成一體，形成綜合處理器，安裝于車體內部，或者在硬件上同車輛自身設備兼容。圖2為主動防護系統探測傳感器系統組成示意圖。

圖2　主動防護系統探測傳感器組成Fig 2　Composition of active protection system detecting sensor

1.4工作原理

分布式設計的探測傳感器可以有多個探測前端，分別對不同角度范圍的區域進行探測，從而可以使主動防護系統具備全方位半球狀的探測范圍。所有的探測前端將接收到的回波信號變頻后，傳輸給信號處理器進行多路并行信號處理，得到目標的速度、角度和距離信息，實時發送給中心控制機進行航跡推算和火控解算。同時，中心控制機對實時處理的數據結果做出判斷和決策，對探測傳感器的工作模式和資源調配進行管理，顯控終端用于顯示傳感器和目標的參數，以及接受操作員的人工控制。圖3為主動防護系統探測傳感器工作原理示意圖。

圖3　主動防護系統探測傳感器工作原理Fig 3　Working principle of active protection system detecting sensor

2關鍵技術分析

2.1天線

天線是雷達射頻信號和自由空間電磁波的轉換裝置，實現雷達信號的發射和回波信號的接收[10]。在主動防護系統中，由于反應時間很短，雷達天線通常不采用帶伺服的機械掃描天線，而采用固定波束天線或者相控陣天線，天線的波束覆蓋范圍即是探測傳感器的角度探測范圍。而分布式探測傳感器的設計，實質上就是根據天線的波束寬度，采用多組天線安裝在車體的不同位置，對不同角度進行照射，從而實現探測傳感器對整個空間的探測。主動防護系統探測傳感器天線的設計需要重點考慮以下幾個指標參數：

2.1.1波束寬度

波束寬度是指天線方向圖中主瓣上兩個半功率點之間的角度范圍，也是天線輻射或接收電磁波能量的主要區域。傳感器的角度探測范圍通常就是由天線波束寬度決定。先進的主動防護系統要求探測整個半空間區域，即360°×180°，因此，每個天線的波束寬度越寬，所需的天線數目就越少，同時也減少了射頻鏈路，降低了系統復雜度和生產成本。

但是，波束寬度直接影響天線增益指標，它是傳感器作用距離的直接計算參數之一，作用距離的四次方正比于收發天線增益之積。在不考慮副瓣和天線效率的情況下，天線增益的極限值可以用下式計算

(1)

其中，GM為天線增益的極限值，θ為方位向波束寬度，φ為俯仰向波束寬度。波束寬度太大，天線增益就小，如果無法滿足雷達作用距離的要求，就要提高積累時間、發射功率等參數，這會使系統的反應時間加長，增加射頻鏈路的體積、功耗和散熱量。

現在國際上設計的主動防護系統中，一般采用4組天線，每組天線的波束寬度約為90°×90°，分別安裝在車體四角，能夠基本實現半球狀探測。對于國內主動防護系統的研制，也可借鑒此種天線分部方式。

2.1.2副瓣

副瓣是指天線方向圖中除主瓣以外的波瓣，天線通過副瓣也能輻射和接收電磁波能量。對于發射天線，副瓣將能量輻射到不需要進行探測的空間范圍內，對于接收天線，副瓣能夠接收來自各個方向的雜波、干擾等電磁信號，這些對于雷達來說，都是具有負面影響的，特別是現代電子對抗中，常常通過天線副瓣對雷達進行截獲、干擾甚至發射反輻射導彈實施摧毀。

單個天線的副瓣大小在生產加工后一般不能改變，在設計時應該盡可能使其遠離主瓣，并且具有較小的對地副瓣，確保進入雷達的地雜波較弱，不影響對目標的檢測。

采用相控陣天線，可以通過各個陣元的幅度、相位加權，對副瓣進行靈活控制，常用的方法有泰勒加權、切比雪夫加權等，針對某些方向還可以采用自適應零深處理。隨之帶來的結果會使主瓣展寬，增益下降。

2.1.3隔離度

收發天線間的隔離度是制約連續波雷達作用距離的首要因素。連續波雷達理論無近距盲區，系統實現簡單，非常適合用作主動防護系統雷達，但是連續波雷達發射和接收是同時進行的，發射信號會直接耦合進入接收天線，通過接收鏈路的放大作用，造成接收機飽和，使雷達無法正常工作。

解決收發隔離問題，常用的方法就是將收發天線分置，設計上優化天線布局，添加帶隙結構，工程上貼覆吸波材料，收發天線之間加裝隔離擋板，天線罩獨立分腔，阻斷收發天線之間的表面波和空間波的傳遞，從而提高隔離度[11,12]。圖4給出了在某參數下天線隔離度與雷達作用距離的關系?？梢钥闯?，隨著天線隔離度增加，雷達作用距離也增加。為了提高主動防護系統雷達的作用距離，就必須在天線設計中對隔離度的指標提出更高的要求。

圖4　天線隔離度與雷達作用距離的關系Fig 4　Relationship between antenna isolation and radar operating range

2.2頻率綜合器

在頻率綜合器的設計中，相位噪聲是指在系統內各種噪聲作用下所引起的輸出信號相位隨機起伏[13]，用單邊帶1 Hz帶寬內的相位噪聲功率譜密度η(fm)表示，單位為dBc/Hz，其中,fm為偏離的頻率。圖5給出某信號相位噪聲測量值[14]。

圖5　相位噪聲測量值示意圖Fig 5　Diagram of phase noise measurement value

由于主動防護系統探測傳感器一般選用連續波雷達，而連續波雷達存在嚴重的發射信號泄露到接收通道的現象。所以,發射信號泄露的邊帶噪聲會影響接收信號的噪聲基底，導致連續波雷達的作用距離減小,具體大小取決于頻率綜合器的相位噪聲指標。圖6給出了頻率綜合器相位噪聲大小與雷達作用距離的關系,可以看出隨著相位噪聲的惡化，連續波雷達的作用距離也相應減小。因此,在設計中應該盡可能多地提高頻率綜合器的相位噪聲指標。

圖6　相位噪聲與雷達作用距離的關系Fig 6　Relationship between phase noise and radar operating range

3結束語

隨著國際上各類攔截型主動防護系統的推出，主動防護已經成為坦克、裝甲車輛未來發展的最有前途的防護手段之一，而雷達也成為首選的傳感器。一部先進的主動防護系統探測傳感器應該在電氣、結構、接口等各方面完全適應坦克、裝甲車輛。結合國內已經研制的某型主動防護系統，通過系統性分析主動防護系統探測傳感器的關鍵技術，想要使傳感器的探測距離更遠，應該提高天線的隔離度指標和頻率綜合器的相位噪聲指標。

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Research on interception active protection system detecting sensor*

MA Ke, ZHANG Yuan-an, ZHANG Kai-sheng

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute,Xi’an 710100,China)

Abstract:Active protection system sensor for tank and armored vehicles is introduced,functions,system composition and operating principle of modern active protection system sensor are illustrated.Combined with certain type of active protection system in China,the problems and solutions for the two key technologies which are antenna and frequency synthesizer in engineering realization are analyzed.In which the antenna should be as much as possible to improve the isolation;in the design of frequency synthesizer,the phase noise index should be improved.It is expected to provide experience and reference for integrated research of domestic active protection system sensor,by analyzing above key technologies.

Key words:active protection system; continuous wave radar; interception

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0012—04

收稿日期：2015—12—07

*基金項目：武器裝備預先研究基金資助項目(40405060201)

中圖分類號:TN 951

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)02—0012—04

作者簡介:

馬可 (1988-)，男，陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向為連續波雷達總體設計。